CN113418691A - 一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置及试验方法，包括：加载单元，包括液压千斤顶和螺旋千斤顶；模型主体单元，模型主体单元包括模型箱、盾构隧道模型和竖向顶管模型，盾构隧道模型放置于模型箱底部，模型箱底部和盾构隧道模型中心处留有第一通孔，竖向顶管模型的顶部穿过第一通孔，竖向顶管模型包括顶管机身、掘进刀盘和螺旋取土器，顶管机身下部留有注浆孔，液压千斤顶顶住顶管机身的下端面，螺旋千斤顶的螺纹杆从顶管机身底部穿过后与螺旋取土器及掘进刀盘固定连接；排土单元用于将竖向顶管模型内部的砂土排出；注浆单元用于注浆；数据量测单元用于采集数据，得出在竖向顶管顶升全过程量测项目的数据变化。

Description

一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及竖向顶管施工技术领域，尤其涉及一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置及试验方法。

背景技术

随着城市化进程的推进，产生了一系列诸如排水、电力、通信、燃气等问题，城市综合地下管廊系统便应运而生。在城市综合管廊的建设中，为了保证通风的需要，竖井的建设往往是技术重点之一。现有竖井施工方法可统一归为明挖法，明挖法施工，存在破坏周边环境、对居民生活造成不便、施工风险较大等缺点，对环境、周边交通及居民的生活的影响较大。

相比较而言，顶管法由于具有可在繁华市区施工，不需大面积开挖及大面积破坏道路等优点而被广泛运用于管道建设中。在此背景下，竖向顶管技术得到了快速的发展。竖向顶管技术是指在综合管廊上方开口，顶管机竖直向上切削土体，在不断排土的过程中完成竖向立管施工的方法。其材料的搬运和供给都在地下隧道中进行，因此地上施工作业只有顶管机的回收，对周边环境影响较小，可以在列车轨道间、闹市高层区、大型车辆无法进入的山顶等困难施工场所进行竖井施工。相比明挖法施工，可以大大节约施工周期，减少地面交通管制带来的时间成本和经济成本，拥有良好的发展及运用前景。

竖向顶管作为一种全新的施工方法，国内外现有成果较少，仍处于探索阶段，现有的成果大多从理论和数值模拟的角度进行研究，而试验分析较少，且现有试验研究无法实现排土过程。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置及试验方法，以模拟实际工程中竖向顶管向上顶升过程，为该项技术更好地应用于实际提供一定的思路与借鉴。

本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，本发明实例提供一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，包括：

加载单元，包括液压千斤顶和螺旋千斤顶；

模型主体单元，所述模型主体单元包括模型箱、盾构隧道模型和竖向顶管模型，所述盾构隧道模型放置于所述模型箱底部，所述模型箱底部和盾构隧道模型中心处留有第一通孔，所述竖向顶管模型的顶部穿过所述第一通孔，所述竖向顶管模型包括顶管机身、掘进刀盘和螺旋取土器，所述顶管机身下部留有注浆孔，所述液压千斤顶顶住所述顶管机身的下端面，所述螺旋千斤顶的螺纹杆从所述顶管机身底部穿过后与所述螺旋取土器及所述掘进刀盘固定连接，所述顶管机身的底部与所述螺旋千斤顶的螺纹杆之间封闭但留有第二通孔；

排土单元，包括抽砂器和渣土收集器，所述抽砂器与所述第二通孔相连通，所述渣土收集器与所述抽砂器相连通；

注浆单元，包括注浆泵，所述注浆泵和所述注浆孔通过注浆管相连通；

数据量测单元，包括位移传感器、应变片、土壤应力传感器中的一个或多个，所述位移传感器用于测量地表位移，所述应变片用于测量所述盾构隧道模型内侧应变，所述土壤应力传感器用于测量所述顶管机身顶部土压力。

进一步地，还包括支架，所述模型箱放置于支架上。

进一步地，所述模型箱为顶部不加盖的矩形箱体。

进一步地，所述模型箱顶部开凹槽，所述凹槽上安装有固定件，所述位移传感器通过传感器支架固定在所述固定件上。

进一步地所述盾构隧道模型由多个半圆柱体依次连接而成。

进一步地，所述顶管机身为上部尺寸比下部大的空心柱体，顶部为直径逐渐减小的倒圆台型，圆台上底面直径同空心柱体直径，圆台下底面直径同掘进刀盘外径。

进一步地，所述掘进刀盘包括刀盘面板、切刀和先行刀，所述切刀和先行刀安装在所述刀盘面板上。

进一步地，所述螺旋取土器外径同所述顶管机身内径。

进一步地，所述应变片固定于所述盾构隧道模型内侧，所述土壤应力传感器固定于所述掘进刀盘中心处。

第二方面，本发明实例还提供一种可排土的竖向顶管室内模型试验方法，该方法在第一方面所述的装置中实现，该方法包括：

试验前处理：提前将螺旋取土器充满砂土，向所述模型箱内注砂土至标高处并做好防水和防漏砂处理；

加载过程：启动所述液压千斤顶和所述螺旋千斤顶，让加载装置对所述顶管机身进行顶升，并带动所述掘进刀盘旋转顶升；

排土处理：加载前，所述顶管机身内部砂土落在所述螺旋千斤顶上而不会落入所述顶管机身底部，在加载过程中，随着所述掘进刀盘和所述螺旋取土器的旋转，所述顶管机身内部砂土落入所述顶管机身底部，被所述抽砂器吸出并通过所述渣土收集器进行渣土处理；

监测观察：通过所述数据量测单元采集数据，得出在竖向顶管顶升全过程量测项目的数据变化。

根据上述技术方案，本发明具有的有益效果是：

(1)本发明可通过在砂土层表面布置位移传感器测量地表位移，可通过在盾构隧道模型内侧固定应变片测量盾构隧道模型内侧应变，并可通过在掘进刀盘中心处固定土壤应力传感器测量顶管机身顶部土压力。在液压千斤顶和螺旋千斤顶向上顶升过程中观察监测项目数据变化，从而探究竖向顶管施工全过程对周边地表及盾构隧道模型的影响。

(2)本发明涉及了两次切土过程，通过液压千斤顶对顶管机身进行顶升，顶管机身顶部为直径逐渐减小的倒圆台型，可对密实的砂土进行一次切削，破坏土体的稳定性，便于砂土二次被切削；通过螺旋千斤顶推动螺纹杆带动螺旋取土器和掘进刀盘进行二次旋转顶升，掘进刀盘带有切刀和先行刀等刀具，可对砂土进行二次切削，从而让竖向顶管模型顶部土体得到充分切削进入竖向顶管模型内部。

(3)本发明设计了一种排土过程，通过掘进刀盘的旋转切削，顶管机身顶部的砂土会落在螺旋取土器上，并随着螺旋千斤顶的旋转顶升，砂土会逐渐落入顶管机身底部，通过在顶管机身底部留有通孔，并与抽砂器通过外接导管相连，试验过程中可利用抽砂器将竖向顶管模型内部砂土抽出并将抽出的砂土置于渣土收集器内进行渣土处理，而当加载过程结束时，落在螺旋取土器上的砂土便不会再落入顶管机身底部以达到停止排土过程的目的，从而模拟真实工程下的顶管排土过程。

(4)本发明还涉及了一种注浆过程，通过在加载过程中向注浆孔注入膨润土浆等注浆材料，以此达到减小竖向顶管模型顶升时外壁受到的摩擦阻力的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置的整体结构剖切示意图。

图2为本发明实施例的盾构隧道模型放置于模型箱内部示意图。

图3为本发明实施例的竖向顶管模型剖切示意图。

图4为本发明实施例的掘进刀盘示意图。

图5为本发明实施例的位移计布点示意图。

图6为本发明实施例的应变片布点示意图。

附图标记：1、模型箱；2、盾构隧道模型；3、固定件；4、顶管机身；5、掘进刀盘；6、切刀；7、先行刀；8、刀盘面板；9、螺旋取土器；10、注浆孔；11、注浆管；12、注浆泵；13、液压千斤顶；14、螺旋千斤顶；15、抽砂器；16、导管；17、渣土收集器；18、砂土；19、支架；20、传感器支架；21、位移传感器；22、应变片；23、土壤应力传感器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，包括：

加载单元，包括液压千斤顶13和螺旋千斤顶14；

模型主体单元，所述模型主体单元包括模型箱1、盾构隧道模型2和竖向顶管模型，所述盾构隧道模型2放置于所述模型箱1底部，所述模型箱1底部和盾构隧道模型2中心处留有第一通孔。其中模型箱1通孔较大但应小于盾构隧道模型2内径，盾构隧道模型2通孔应略大于顶管机身4外径，便于竖向顶管模型能通过第一通孔且防止砂土18从缝隙处流失过多。所述模型箱1于试验前布满砂土18，用做试验模拟土体。所述竖向顶管模型的顶部穿过所述第一通孔，所述竖向顶管模型包括顶管机身4、掘进刀盘5和螺旋取土器9，所述顶管机身4下部留有注浆孔10，在竖向顶管模型顶升时起注浆减摩作用。所述液压千斤顶13顶住所述顶管机身4的下端面，所述螺旋千斤顶14的螺纹杆从所述顶管机身4底部穿过后与所述螺旋取土器9及所述掘进刀盘5固定连接，所述顶管机身4的底部与所述螺旋千斤顶14的螺纹杆之间封闭但留有第二通孔；考虑试验可操作性，顶管机身4可做不分段处理，试验前可采用粉笔或荧光材料沿顶管机身4外壁做好标记，试验过程中于每一标记处停止顶进以模拟每一节管节顶进完成。

排土单元，包括抽砂器15和渣土收集器17，所述抽砂器15通过导管16与所述第二通孔相连通，所述渣土收集器17通过导管16与所述抽砂器15相连通，抽砂器15用以抽出顶管机身4的砂土18，渣土收集器17用以储存抽砂器15抽出的砂土18并对砂土18进行渣土处理；

注浆单元，包括注浆泵12，所述注浆泵12和所述注浆孔10通过注浆管11相连通，并通过注浆孔10向顶管机身4外壁注浆；

数据量测单元，包括位移传感器21、应变片22、土壤应力传感器23中的一个或多个，所述位移传感器21用于测量地表位移，所述应变片22用于测量所述盾构隧道模型2内侧应变，所述土壤应力传感器23用于测量所述顶管机身4顶部土压力。

本实施例中，如图1所示，还可包括支架19，所述模型箱1放置于支架19上。

本实施例中，如图2所示，所述模型箱1为顶部不加盖的矩形箱体。

本实施例中，如图2所示，所述模型箱1顶部开凹槽，所述凹槽安装有固定件3，所述位移传感器21通过传感器支架20固定在所述固定件3上，若试验所用位移传感器21为接触式传感器，可在所述砂土18表层铺设玻璃布，防止接触式位移传感器接触砂土18表面后刺入砂土内部，若试验所用位移传感器21为激光位移传感器可不做此考虑。

本实施例中，为了模拟真实工程中盾构管片环并考虑到试验可操作性，所述盾构隧道模型2由多个半圆柱体依次连接而成。

本实施例中，如图3所示，为模拟实际工程中顶管掘进机头会比后续关节尺寸略大，所述顶管机身4为上部尺寸比下部大的空心柱体，顶部为直径逐渐减小的倒圆台型，圆台上底面直径同空心柱体直径，圆台下底面直径同掘进刀盘5外径，该锥形截面可更好地切削土体，便于顶管机身4对密实的砂土18进行一次切削。

本实施例中，如图4所示，所述掘进刀盘5包括刀盘面板8、切刀6和先行刀7，所述切刀6和先行刀7安装在所述刀盘面板8上，用以对已经破坏的砂土18进行二次切削。

本实施例中，如图3所示，所述螺旋取土器9外径同所述顶管机身4内径，便于储存掉落至竖向顶管模型内部的砂土18并便于排土的开始与停止。

本实施例中，如图6所示，所述应变片22固定于所述盾构隧道模型2内侧，固定完毕后在应变片22表面涂抹硅橡胶并用黑色绝缘胶带固定，以起绝缘保护作用，应变片22连接导线于模型箱1通孔处拉出并作编号处理以方便区分。如图3所示，所述土壤应力传感器23固定于所述掘进刀盘5中心处。

本发明还提供一种可排土的竖向顶管室内模型试验方法，该方法在上述装置中实现，该方法包括：

试验前处理：提前将螺旋取土器9充满砂土，防止竖向顶管模型开挖前砂土18便掉落在螺旋取土器9上对试验造成干扰，向所述模型箱1内注砂土18至标高处并做好防水和防漏砂处理；

加载过程：启动所述液压千斤顶13和所述螺旋千斤顶14，让加载装置对所述顶管机身4进行顶升，并带动所述掘进刀盘5旋转顶升；

排土处理：加载前，所述顶管机身4内部砂土18落在所述螺旋千斤顶14上而不会落入所述顶管机身4底部，在加载过程中，随着所述掘进刀盘5和所述螺旋取土器9的旋转，所述顶管机身4内部砂土18落入所述顶管机身4底部，被所述抽砂器15吸出并通过所述渣土收集器17进行渣土处理；

注浆处理：在加载过程中，打开注浆泵12并通过注浆管11向注浆孔10外部进行注浆，注浆材料可选择膨润土泥浆等材料。

监测观察：通过所述数据量测单元采集数据，得出在竖向顶管顶升全过程量测项目的数据变化。

本实施例中可排土的竖向顶管室内模型模拟装置的拆卸回收：待各项工作完成后，从模型箱1顶部，依次对位移传感器21、传感器支架20、砂土18、顶管机身4、掘进刀盘5、螺旋取土器9、盾构隧道模型2等材料或构件进行及时的整理回收。必要时，模型箱1可从支架19上取出，对模型箱1内进行清理，以便下次试验使用。

本实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，其特征在于，包括：

加载单元，包括液压千斤顶和螺旋千斤顶；

模型主体单元，所述模型主体单元包括模型箱、盾构隧道模型和竖向顶管模型，所述盾构隧道模型放置于所述模型箱底部，所述模型箱底部和盾构隧道模型中心处留有第一通孔，所述竖向顶管模型的顶部穿过所述第一通孔，所述竖向顶管模型包括顶管机身、掘进刀盘和螺旋取土器，所述顶管机身下部留有注浆孔，所述液压千斤顶顶住所述顶管机身的下端面，所述螺旋千斤顶的螺纹杆从所述顶管机身底部穿过后与所述螺旋取土器及所述掘进刀盘固定连接，所述顶管机身的底部与所述螺旋千斤顶的螺纹杆之间封闭但留有第二通孔；

排土单元，包括抽砂器和渣土收集器，所述抽砂器与所述第二通孔相连通，所述渣土收集器与所述抽砂器相连通；

注浆单元，包括注浆泵，所述注浆泵和所述注浆孔通过注浆管相连通；

数据量测单元，包括位移传感器、应变片、土壤应力传感器中的一个或多个，所述位移传感器用于测量地表位移，所述应变片用于测量所述盾构隧道模型内侧应变，所述土壤应力传感器用于测量所述顶管机身顶部土压力。

2.根据权利要求1所述的一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，其特征在于，还包括支架，所述模型箱放置于支架上。

3.根据权利要求1所述的一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，其特征在于，所述模型箱为顶部不加盖的矩形箱体。

4.根据权利要求3所述的一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，其特征在于，所述模型箱顶部开凹槽，所述凹槽上安装有固定件，所述位移传感器通过传感器支架固定在所述固定件上。

5.根据权利要求1所述的一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，其特征在于，所述盾构隧道模型由多个半圆柱体依次连接而成。

6.根据权利要求1所述的一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，其特征在于，所述顶管机身为上部尺寸比下部大的空心柱体，顶部为直径逐渐减小的倒圆台型，圆台上底面直径同空心柱体直径，圆台下底面直径同掘进刀盘外径。

7.根据权利要求1所述的一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，其特征在于，所述掘进刀盘包括刀盘面板、切刀和先行刀，所述切刀和先行刀安装在所述刀盘面板上。

8.根据权利要求1所述的一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，其特征在于，所述螺旋取土器外径同所述顶管机身内径。

9.根据权利要求1所述的一种可排土的竖向顶管室内模型试验装置，其特征在于，所述应变片固定于所述盾构隧道模型内侧，所述土壤应力传感器固定于所述掘进刀盘中心处。

10.一种可排土的竖向顶管室内模型试验方法，其特征在于，该方法在权利要求1所述的装置中实现，该方法包括：

试验前处理：提前将螺旋取土器充满砂土，向所述模型箱内注砂土至标高处并做好防水和防漏砂处理；

加载过程：启动所述液压千斤顶和所述螺旋千斤顶，让加载装置对所述顶管机身进行顶升，并带动所述掘进刀盘旋转顶升；

排土处理：加载前，所述顶管机身内部砂土落在所述螺旋千斤顶上而不会落入所述顶管机身底部，在加载过程中，随着所述掘进刀盘和所述螺旋取土器的旋转，所述顶管机身内部砂土落入所述顶管机身底部，被所述抽砂器吸出并通过所述渣土收集器进行渣土处理；

注浆处理：在加载过程中，打开注浆泵并通过注浆管向注浆孔外部进行注浆；

监测观察：通过所述数据量测单元采集数据，得出在竖向顶管顶升全过程量测项目的数据变化。

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